基于相位敏感型光时域反射技术的光纤声传感系统

方高升　孙文惠

摘 要：本文提出一种基于相位敏感型光时域反射技术的分布式光纤声传感系统。对系统架构和基本原理进行了详细的描述和分析，通过与动圈检波器的单点振动对比实验，表明系统能有效的还原宽频信号，时域对比基本吻合，频域对比结果振动信号频域主峰一致。

关键词：光纤；传感；反射技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.123

0 引言

相位敏感型光时域反射计（Φ-OTDR）于1993年被首次提出来[1]。基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统利用窄线宽激光器产生高相干激光脉冲，该激光脉冲进入传感光纤产生相干瑞利散射。当传感光纤周围有振动或者声音等信号时，传感光纤可以探测到上述信号，引起相干瑞利散射光的相位产生一定的变化。通过测量相位的变化量，即可获得传感光纤探测到的信号。Φ-OTDR 不仅对外界微弱信号有敏锐的感知，在原理上来讲还可以实现多点定位。

1 系统架构

基于Φ-OTDR技术的分布式光纤传感系统架构如图1所示[2]。系统主要由激光器、调制器、放大器、环行器、传感光纤、干涉仪（系统中采用迈克尔逊干涉仪结构）、探测器以及数据采集与处理单元等组成。激光器产生窄线宽激光输出经过调制器被调制成脉冲激光器，为了获得高的消光比，调制器一般采用声光调制器。脉冲激光经过放大器后进入环行器，通过光纤光栅对放大器自发辐射噪声的滤波后，脉冲激光进入传感光纤。由于进入放大器的光为脉冲激光，因此系统中一般采用脉冲放大器（本系统中采用脉冲掺饵光纤放大器）。放大后的脉冲激光在沿传感光纤传播时，会不断产生后向瑞利散射光，后向瑞利散射光再通过环形器进入到光电探测器中。经过A/D采集和信号处理，最终显示传感光纤不同位置探测到的信号。

经过放大后的光脉冲（Input pulsed light）进入传感光纤，脉冲光沿传感光纤传播并不断产生后向瑞利散射光（Coherent back Rayleigh scattering light）。瑞利散射光是由于折射率的不均匀导致的光散射现象，可以认为有多个微米尺度的散射中心导致的，不过只有部分散射光被捕获并沿光纤反方向传播。当外界环境变化引起光纤损耗或者折射率变化时，可以通过探测瑞利散射光强度或相位的变化来感知外界变化。Φ-OTDR采用高相干光源，不同位置瑞利散射光发生干涉，外界环境改变将会引起干涉条纹的变化，通过检测不同位置处的干涉条纹变化可以实现分布式光纤传感的目的。

2 对比试验

将传统的动圈检波器和传感光纤置入土中。利用自行车轴承小钢珠在一定高度作自由落体运动砸在土层表面上，产生振动信號。振动信号同时被动圈检波器和传感光纤探测到，其中动圈检波器输出直接由示波器采集，传感光纤输出经过DAS系统解调得到。振动信号的对比结果如图2所示，其中（a）为时域对比结果，可以看出动圈检波器和DAS探测到的振动信号波形基本，振动周期和振动峰均能对齐；（b）为频域对比结果，可以看出频域主峰一致，但动圈检波器的高频噪声比DAS系统要低。

通过与动圈检波器的单点振动对比实验，表明系统能有效的还原宽频信号，时域对比基本吻合，频域对比结果振动信号频域主峰一致。

3 结束语

本文证明了一种基于相位敏感型光时域反射技术的分布式光纤声传感系统，该系统可以探测振动系统，可在油气勘探等领域进行广泛应用。

参考文献：

[1]C.E.Lee and H.F.Taylor.Apparatus and method for fiber optic intrusion sensing[J].U.S.Patent No.5，194，847.16 March 1993.

[2]Gaosheng Fang，Tuanwei Xu，and Fang Li.Phase-Sensitive Optical Time Domain Reflectometer Based on Phase-Generated Carrier Algorithm，Journal of Lightwave Technology[J].Vol. 33，No.13，pp.2811-2816，2015.